Transcript TRANSP发布会 - 高性能计算集群“神马” — 等离子体所

ASIPP
SHENMA服务器上的多用户
TRANSP程序发布会
丁斯晔
2014.01.08
EAST
引言
ASIPP
• TRANSP落户SHENMA的背景
– EAST团队未来的需求
– 所级合作
• 天时
– 新一轮实验前
• 地利
– 服务器升级
– 诊断发展
• 人和？
EAST
大纲
ASIPP
• TRANSP程序介绍
• SHENMA服务器使用指南
• TRANSP程序的使用
• 总结
EAST
大纲
ASIPP
• TRANSP程序介绍
– 托卡马克等离子体中的输运现象
– 输运问题的实验分析方法
• 宏观约束：经验定标率
• 扰动分析方法
• 功率（热）平衡方法 – TRANSP的计算流程
• SHENMA服务器使用指南
• TRANSP程序的使用
• 总结
EAST
等离子体约束和经典输运
ASIPP
• 托卡马克装置靠磁场约束等离子体
• 聚变条件：劳逊(Lawson)判据
• 经典输运
𝐷𝛼 ∼ 𝜈𝑒𝑖 𝜌𝑒2
𝜒𝑒 ∼ 𝜈𝑒𝑒 𝜌𝑒2 ∼ 𝐷𝛼
𝜒𝑖 ∼
𝜈𝑖𝑖 𝜌𝑖2
∼
𝑚𝑖 0.5
𝜒𝑒
𝑚𝑒
其中𝜈, 𝜌分别为碰撞率和粒子回旋半径
EAST
新经典输运
ASIPP
EAST
• 在柱对称几何的经典输运理论中加上环效应——新经典输运理论
• 流体区：“碰撞”区，通行粒子
𝜈 ∗ ≥ 𝜖 −1.5
𝐷
𝑁𝐶
∼ (1 +
2𝜂𝑞2
)𝐷𝐶
𝜂⊥
• 香蕉区：“无碰撞”区，捕获粒子
𝜈∗
=
𝜈𝑒𝑓𝑓
𝜔𝑏
< 1.0
𝐷𝑁𝐶 ∼ 𝜖 −0.5 𝜈𝑒𝑓𝑓 Δ2𝑏 ∼ 𝜖 −1.5 𝑞 2 𝐷𝐶
• 平台区：“过渡”区
1.0 ≤ 𝜈 ∗ ≤ 𝜖 −1.5
𝐷𝑁𝐶 ∼
𝑉𝑡ℎ 𝑞
𝜈𝑅
𝐷𝐶
反常输运
ASIPP
EAST
• 在磁流体不稳定性基本被抑制的条件下，环向对称的托
卡马克等离子体的约束性能应该由库伦碰撞来决定
• 实际上（实验中）等离子体的输运特性与库伦碰撞条件
下计算的结果相去甚远，特别是电子热输运特性，比理
论预测的结果高出两个数量级——反常输运
• 人们认为所观察到的反常输运是等离子体中的各种不稳
定性发展的结果，是由各种涨落现象引起的
– 电场、电位、磁场和密度涨落
– 涨落到达非线性饱和状态后将产生宏观输运效应——湍性输
运
– 漂移波湍流（低比压）
• 驱动源：宏观物理量（密度、温度、宏观速度）的不均匀性
– 磁湍流（高比压）
• 驱动源：电流分布不均匀
反常输运研究的状态
ASIPP
• 2004年的一张“老”图
EAST
经验定标率
ASIPP
• 统计学方法（需要大量数据）
• 用装置的工程参数及物理参数利用多重线
性回归方法得到能量约束时间与其它各参
数之间的关系
• 全局性的参数，表现等离子体的宏观约束
性能
• 线性欧姆约束
• L模
• H模
EAST
无量纲参数的经验定标率
EAST
ASIPP
• 无量纲分析技术的基础：“the behavior of a physical system cannot
depend on the choice of physical units employed to measure it.”
• 在约束与输运研究中常用的几个无量纲量
𝜈∗ =
𝜈𝑒𝑖
𝜖𝜔𝑏
=
𝜈𝑒𝑖 𝑞𝑅
𝜖 1.5 𝑣𝑇𝑒
• 无量纲分析能够通过对等离子体参数的无量纲化，将不同装置上的数据
进行综合比较
• H模
PPCF 50 (2008) 043001, T. C. Luce
扰动分析方法
EAST
ASIPP
• 与功率平衡方法之间的区别
功率平衡：
𝐷 𝑃𝐵
𝛼: 𝑒, 𝑖
𝜒𝛼𝑃𝐵
Γ
=
𝛻𝑛𝑒
Q
=
𝛻𝑇𝛼
扰动分析：
𝐷𝛼𝑃ert
𝜕Γ𝛼
=−
𝜕𝛻𝑛𝑒
𝜒𝛼𝑃ert
𝜕𝑄
=−
𝑛𝑒 𝜕𝛻𝑇𝛼
瞬态微扰输运方程
ASIPP
EAST
• 以能量输运方程为例，线性化的输运方程为
3 𝜕𝑇
𝑛0 𝑇
𝑛
+𝛻∙q=−
+𝑃
2 0 𝜕𝑡
𝜏𝑒𝑖
−𝑞 = 𝑛0 𝜒𝑒𝑓𝑓 𝛻𝑇 + 𝑛0 𝑣𝑒𝑓𝑓 𝑇
对𝑇和𝑃作傅立叶变换
𝑇 = 𝑇𝜔 exp(𝑖𝜔𝑡), 𝑃 = 𝑃𝜔 exp(𝑖𝜔𝑡)
得温度扰动传播方程
3
1
n0 𝑖𝜔 +
𝑇𝜔 − 𝛻 𝑛0 𝜒𝑒𝑓𝑓 𝛻𝑇𝜔 + 𝑛0 𝑣𝑒𝑓𝑓 𝑇𝜔 = 𝑃𝜔
2
𝜏
若T𝜔 = Aexp(−𝑖𝜑𝑡), （平板模型）
有𝜒 𝑎𝑚𝑝
3𝜔
=
4
2
𝐴′
𝐴
,
𝜒 𝑝ℎ𝑖
=
3𝜔
4𝜑′2
, 𝜒 𝑝𝑒𝑟𝑡 =
𝜒 𝑎𝑚𝑝 𝜒 𝑝ℎ𝑖
PPCF 37 (1995) 799, N. J. Lopes Cardozo
PPCF 52 (2010) 124043, F. Ryter
实验中的常见扰动源
ASIPP
调制方法
研究对象
调制辅助加热（电
子回旋波最适合）
锯齿不稳定性
电子/离子热输运
调制充气
粒子输运
弹丸注入
粒子输运
激光烧蚀杂质注入
杂质输运
电子热/粒子输运
EAST
功率（热）平衡方法
ASIPP
• 核心：输运方程
n
1 

(r  )  S
t
r r
Vi
1 
m n

(r  i )  M i
t
r r
3 T
1   
5

n

r  Q   T    P

2
t
r r  
2

: 粒子种类
i：矢量分量
, , Q: 粒子、动量和能量的通量
S, M, P: 粒子、动量和能量的源和汇项
EAST
功率（热）平衡方法
• 输运方程的求解
ASIPP
EAST
– 已知项（或需要知道的物理量）
• 源项（粒子源，加热，动量源…）
• 汇项（粒子直接损失，辐射功率，电荷符合交换…）
• 各种参数分布（温度、密度、旋转速度…）
– 未知项（或需要求解的物理量）
• 各输运通量与输运系数
n
r
V
 i    i i
r
T
Q    
r
   D
扩散项
−𝑉𝑥
对流项
由于每个通量原则上都与所有分布梯度有关
因此其输运系数将是一个矩阵。通常假定输运
主要由对角项决定
输运分析的基本流程
ASIPP
一句话概述：使用实
验数据求解磁场扩散
方程，计算中性粒子
密度分布，再通过粒
子与能量守恒方程计
算局域输运系数。
EAST
磁场扩散模型
EAST
ASIPP
• 用于计算等离子体中随时间演化的电流分
布（电流扩散）
不考虑位移电流的麦氏方程组
欧姆定律
磁场扩散方程
磁粘滞
• 边界条件
磁冻结
磁场扩散模型
ASIPP
EAST
• 方程中的
是等离子体电导率，由实验的电
子温度、密度等计算得出
其中
是Spitzer电导
是新经典修正项
• Spitzer电导/电阻
Te单位：keV
• 新经典修正项
高碰撞率极限(
)：捕获粒子消失，
则
直柱+大环径比近似
• 安全因子q
• 磁面反演程序EFIT或LRDFIT等
粒子平衡
ASIPP
• 粒子守恒方程
分别代表离子和电子
是等离子体内的粒子源
是从第一壁进入等离子体的中性粒子
• 粒子扩散系数和径向流速
或
或
EAST
中性粒子输运模型
ASIPP
EAST
• 主要过程
– 电子碰撞电离
• 反应率近似是电子温度的函数
– 电荷交换
– 离子碰撞电离
中性粒子温度很难确切界定，
假定约等于当地离子温度
• 需要考虑两种独立的中性粒子通量
– 直接充气的冷中性粒子
– 限制器上的再循环热中性粒子
• 要正确考虑杂质粒子的电离过程
• 中性粒子的电离功率耗散与辐射功率损失也相关
• 专门的杂质输运计算程序MIST等，相对简单的中性
粒子渗透模块FRANTIC
能量平衡
EAST
ASIPP
• 能量平衡方程——Braginskii (1965)
能量的变化率
粒子通量相关
应力张量
热流 碰撞热能
由于电子离子碰撞引起的动量变化
• 方程等号左边对应两种力
– 由于存在相对运动速度而产生的摩擦力
– 由于存在温度梯度等而产生的热力
• 利用动力学方程或者特定的微观不稳定性模
式分析可以计算出 ， 和 等物理量
能量平衡
ASIPP
EAST
• 在一维输运程序或者实验分析程序中常用的方法需要进
行一些近似
–
–
–
–
只考虑物理量在径向的变化（一维近似）
忽略应力张量
假设离子和电子之间的耦合只有库伦碰撞（
）
考虑电荷复合交换，中性粒子加热，电离损失及杂质辐射等
过程
– 令
，其中 是等效热扩散系数，包括新经典
及所谓的反常效应在内，热导
• 对流功率损失
电子能量平衡方程
ASIPP
EAST
• 忽略粘滞项的方程表达式
能量的变化率 热流损失 对流损失 反抗压力梯度做功 各种功率增益及损失
等离子体电流分布
等离子体电导率分布
欧姆功率
辅助加热对电子的加热功率
中性粒子的电离损失
电子通过辐射过程损失的功率
电子-离子碰撞耦合项
电子热流通量
+𝑣𝑒 𝑛𝑒 𝑇𝑒
电子能量平衡方程
ASIPP
EAST
• 求解电子热扩散系数 需要的物理量及对应的
获取方法
–
–
–
–
–
–
–
–
–
电子密度分布
激光Thomson散射诊断、干
电子温度分布
涉仪、电子回旋辐射诊断
离子温度分布
：电荷交换谱仪，弯晶谱仪
辐射功率分布
：辐射量热
等离子体电流分布
：动态斯塔克谱仪，偏振仪
等离子体电导分布
：计算
电子与离子的径向速度 和 ：计算
中性粒子密度分布
：模拟计算
沉积在电子上的辅助加热功率
：模拟计算
辅助加热：中性束
ASIPP
• “中性束”一般指的是高能的中性氢或
氘原子束
• 束粒子进入等离子体后通过电荷交换和
碰撞电离等过程变成快离子被磁场捕获
，再经过跟原有等离子体发生库伦碰撞
而慢化，同时把能量交给等离子体（电
子和离子），从而达到加热的目的
• 有效加热要求电子和离子的平均约束时
间大于高能离子的慢化时间
• 中性束是粒子源、能量源，也是动量源
• 计算程序NUBEAM等
EAST
辅助加热：离子回旋波
ASIPP
EAST
• 频段：30-200 MHz
• 器件：真空四极管
• 吸收机制
– 在等离子体中掺入少数离子的基频共
振吸收
• 由少数离子而不是背景离子来吸收射频
波能量
• 获得能量的少数离子再跟背景粒子碰撞，
达到整体加热的目的
– 背景离子的二次谐波共振吸收
• 当少数离子浓度超过临界浓度时，等离子体中会出现离子-离子混
杂共振层，发生模转换现象
• 快波在满足共振条件时，一部分波功率将通过模转换成为离子伯
恩斯坦波，通过电子朗道阻尼吸收。
• 计算程序TORIC等；直接计算实验值的BIS*方法
辅助加热：低杂波
ASIPP
• 频段：1-8 GHz
• 器件：调速管
• 低杂波能够很有效地驱动等离子体电流
– 使用非对称波谱
– 以慢波注入等离子体，
– 可近性条件
• 由色散关系得到
• 波的平行折射率会在向内传播时逐渐加大
– 如果波的平行相速度接近电子热速度，就能够与电
子发生强烈的朗道阻尼
• 驱动效率
• 计算程序LSC，LUKE/C3PO等
EAST
辅助加热：电子回旋波
ASIPP
• 频段：40-160 GHz
• 器件：回旋管
• 天线与等离子体之间没有消散层，耦合简单容易，
对射频源要求高
• 直接加热电子，离子通过与电子碰撞获得能量
• 两种模式
– 寻常模（O模）：波电场平行等离子体磁场的线性偏
振波
– 非寻常模（X模）：波电场垂直于等离子体磁场的椭
圆偏振波
– 考虑到吸收率和波的可近性，在托卡马克等离子体
中应用电子回旋加热只能选择O模的基频和X模的二
次谐频，在共振区衰减得很快，加热的局域性很强
• 计算程序TORAY，GENRAY等
EAST
离子能量平衡方程
ASIPP
EAST
• 忽略粘滞项的方程表达式
中性粒子电离 电荷复合
交换损失
+𝑣𝑖 𝑛𝑖 𝑇𝑖
• 计算电子/离子热输运系数时的主要误差源
–
–
–
–
实验数据的准确性（梯度等）
等离子体电阻率模型
粒子约束时间的不确定性
辐射功率的测量
等离子体芯部的输运
分析结果相对比较可靠
动量平衡
EAST
ASIPP
•
直柱模型下的动量守恒方程
•
在轴对称几何的环形系统里，要考虑不同的物理量
•
经过磁面平均的动量守恒方程
力矩密度
角动量密度
由于电荷交换和磁
场波纹引起的损失
动量扩散，或垂
直方向的粘滞
动量对流输运
功率平衡计算的实用程序
ASIPP
• 托卡马克等离子体物理过程特点
– 多时空尺度
– 高度非线性
• 现代托卡马克实验中常借助大型的数据分
析程序对众多数据进行综合的自洽计算，
避免使用简单的近似计算而不能完整地从
实验数据中获取需要的物理信息
• 国际范围内，这一类程序包括TRANSP，
IMFIT (ONETWO)，CRONOS等
EAST
TRANSP简介
ASIPP
EAST
• 为了进行托卡马克实验数据分析而开发的程序，是目前世界上
使用范围最广的托卡马克实验数据分析程序之一
• 美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的Douglas McCune等人
在1970年BALDUR程序的基础上，于1978年推出第一版TRANSP
程序，并不断完善、增加程序功能
• 至今，TRANSP与其相关程序已经成为一个庞大的系统，包括
–
–
–
–
–
大约一百万行Fortran代码
超过一百个可执行程序
超过一百个子程序库
超过一千个命名的变量
超过一百人年的开发工作量
• 开发语言包括：Fortran-77，Fortran-90，部分C和C++以及
Python
• TRANSP能够进行托卡马克非圆截面磁位型下1½维度的输运与约
束分析，以及托卡马克数据的诊断模拟。
TRANSP的辅助模块/模型
ASIPP
EAST
• 中性束注入：NUBEAM
– Monte Carlo程序
• 离子回旋波：TORIC
– 全波解程序
• 低杂波：LSC
– 射线追踪程序
• 电子回旋波：TORAY，GENRAY
– 射线追踪程序
• 中性粒子：FRANTIC
• 纵场波纹、鱼骨模对快离子的影响（简单模型）
• 虚拟诊断
PTRANSP
EAST
ASIPP
• 在实验分析的基础上，PPPL进一步开发了
TRANSP的实验预测能力（P代表预测）
• 预测是实验分析的逆过程：
理论模型
输运系数
功率、动量
等平衡方程
温度等宏
观参数
• PTRANSP集成的几种理论输运模型主要有：
–
–
–
–
GLF23
MMM95
MMM08
CDBM
• 目前PTRANSP被广泛应用于ITER模拟预测
大纲
ASIPP
• TRANSP程序介绍
• SHENMA服务器使用指南
• TRANSP程序的使用
• 总结
EAST
大纲
ASIPP
• TRANSP程序介绍
• SHENMA服务器使用指南
• TRANSP程序的使用
• 总结
EAST
SHENMA上的TRANSP
ASIPP
EAST
• 支持多用户，MPI
• 三个版本
– public：普通用户使用的稳定版本
– develop：及时接收PPPL发布的更新，测试不影响
EAST使用需求后，定时更新到public
– backup：用于防止public版本意外崩溃，更新频率
最小
• SHENMA用户申请加入TRANSP的用户组：
transp
• 将module load transp/public加入入个人帐号根
目录下的bash环境配置文件.bashrc中
TRANSP实验分析的流程
ASIPP
EAST
• 使用TRANSP进行数据分析需要：
– 大量实验数据，以模拟托卡马克等离子体的演化状态
– 辅助加热模块提供功率沉积等模拟结果
– 计算极向磁扩散（或使用EFIT等磁面反演程序的结果）、粒
子平衡、功率平衡和动量平衡等方程
各个时刻等离子体的约束和输运特性
• 运行一个TRANSP实例：
– 将各种实验分布数据随时间的演化转换成一维和二维的
UFILE（PPPL的数据格式）
– 准备好TRANSP的选项表单(namelist)，告诉程序
• 要读哪些数据
• 要执行哪些计算
• 对应的参数如何取值
– 用数据输出工具(RPLOT)读取计算结果
准备输入数据
ASIPP
EAST
• 要求用户在各自的scratch文件夹中建立指定
结构的文件夹作为提交TRANSP所用的工作
文件夹
– /scratch/user/transp/Runs/EAST/12345
– $WORKDIR/EAST/12345
• UFILEs
– TRANSP要求的数据格式
• 参数表单(namelist)
– 指令文本
UFILEs
ASIPP
EAST
• 支持一维，二维以及三维数据
• 文件名由三部分组成
–
–
–
–
前缀：16个字母及以内，大写
炮号：数字
后缀：16个字母及以内，大写
例如：A12345.CUR
• 固定格式的文件头、数据结构
• 文件头
– 炮号、实验装置、数据维度、生成时间、数据坐标轴名称及单位
、数据点数目等信息
• 数据主体（二维）
– 第一部分是x轴数据，时间序列，一行六个数据，共m个
– 第二部分是y轴数据，空间序列，同样一行六个，共n个，每个部
分之间不要有空行
– 第三部分是z轴数据，即函数值，可以是温度、密度等物理量，其
排列顺序遵循规则：先变x后变y，即按照f(1, 1), f(2, 1), . . . , f(m, 1),
. . . , f(1, n), . . . , f(m, n)
UFILEs
ASIPP
• 提供格式转换小程序ufileGen，从标准格式转换到一维
和二维UFILEs
– 一维：两列的ASCII数据
– 二维：文本中包含两个数据块，第一个数据块只有一行（就
是第一行）：按递增排列的时间序列；第二个数据块（第二
行开始）的左起第一列是按递增排列的空间坐标，第二列开
始是第一个时间片的分布数据
– 中性束文件结构特殊：见手册及例子
• 与UFILE有关的实用小程序
–
–
–
–
–
ugraf1： 查看一维数据
ugraf2： 查看二维数据
gsmoo1： 平滑、线性平移一维数据
gsmoo2： 平滑、线性平移二维数据
scrunch2： 从EFIT的gfile中抽取随时间演化的磁平衡信息
• 需要index.dat，见例子
EAST
参数表单
ASIPP
• TRANSP程序的控制参数都保存在其参数表单中
– 使用文本编辑器进行修改
– 使用辅助程序xtranspin
• 文件名格式：(RunID)TR.DAT
• 建议在模板的基础上修改
• ！是注释符号
EAST
输入文件
ASIPP
•
•
(runID)TR.DAT: 选项表单
Ufiles
–
–
–
–
–
–
–
–
–
运行程序的
最低要求
–
–
–
–
.BOL: 辐射量热/辐射功率
.CUR: 等离子体电流
.FLX: 逆磁通量
.NTS: 中子产额
.RBZ: 纵场*大半径
.NCR: 杂质密度
.TIR: 离子温度分布
.VPH: 等离子体旋转分布
EFIT02*.*: EFIT计算的平衡数据
•
•
•
•
•
•
•
•
.GRB: (R*Bt) 分布
.LIM: 数值化的限制器位置
.MMX: 写成傅立叶矩形式的平衡磁面
.PLF: 极向磁通
.PRS: 压力分布
.QPR: q分布
.TRF: 环向磁通
.VSF: 表面环电压
.NBI: 中性束波形参数
.NER: 电子密度分布
.TER: 电子温度分布
.ZFT: 有效电荷数
EAST
对二维分布数据的处理
ASIPP
EAST
• 指定其覆盖范围
– 单侧，双侧，对称化算法
• 表单变量名`NRI***’和`NSY***’
– `NRI***’可选的值包括：
•
•
•
•
•
•
=1 UFILE数据覆盖低场侧空间，从R0到R0 + a
=2 UFILE数据覆盖高场侧空间，从从R0 − a到从R0
=3 UFILE数据是“双侧可对称化”的数据，通过`NSY***’决定具体算法
=4 UFILE数据以小半径为空间坐标，从0到a
=5 UFILE数据以归一化环向磁通√(Ψtoroidal/Ψtoroidal@boundary)为空间坐标，从0到1
=6 UFILE数据以归一化极向磁通为坐标，从0到1
• `NSY***’的选项包括：
– =1 “洋葱皮算法”，将分布自上而下层层分割形成一单调分布
– =2 “内外对称算法”，将分布依照磁面位置进行内外对称处理，统一磁面
上的物理量取平均值。
– =3 “R*dR加权的内外对称算法”，在“内外对称算法”的基础上增加加权
因子，考虑了空间位置及磁面间距在内外侧不同的情况
– =4 “R加权的内外对称算法”，在加权因子中仅考虑空间位置的权重
参数表单的内容
ASIPP
•
•
•
选项非常多，例子中模板的变量超过400个，但不是每一个都需要在运行前设置新值
表单内容大约可以分为以下几个方面
基本信息
–
–
•
EAST
炮号：NSHOT
文件位置：INPUTDIR
时间与格点（径向分辨率）控制
–
运算的起止时间
•
•
–
计算的时间步长
•
•
•
–
STEDIT（一维数据）
SEDIT（二维数据）
径向分辨率
•
•
•
•
–
DTMAXG（总体）
DTMAXB（磁场扩散）
DTMAXT（能量约束）
形成输出的时间间隔
•
•
–
TINIT（开始）
FTIME（结束）
NZONES（输运网格数）
NZONE NB（Monte Carlo快离子模型的网格数）
NZONE FP（Fokker Planck快离子模型的网格数）
NZONE FB（快离子分布函数的网格数）
指定时间片输出特定结果
•
•
•
•
OUTTIM（ 与NUBEAM模块中性粒子有关数据）
FI_OUTTIM（ 快离子有关的数据包括NBI及ICRF模块）
FE_OUTTIM（TORAY模块的输出）
这三个控制变量均支持输出最多9个时间片的数据，并要求按照时间片升序排列。
参数表单的内容
ASIPP
EAST
• 磁平衡计算
– LEVGEO=8即选择使用外部的EFIT数据作为磁平衡数据，不主动计算磁场演
化。此时要提供由gfile生成（使用scrunch2程序）的磁平衡UFILEs
– 需要配合使用变量：NLPCUR=true，使用等离子体电流的实验值（默认）
– NLQDATA=true，使用实验q分布数据
• 分布数据
– ‘PRE***’和‘EXT***’设置正确的UFILE文件前后缀名称
– ‘NRI***’和‘NSY***’设置合适的分布范围/映射算法
• 新经典模块（NCLASS及其它）
– 新经典电阻率(NLETAW)
– 自举电流(NLBOOTW)以及
– 旋转速度和径向电场(NLVWNC)等
参数表单的内容
•
等离子体成分、杂质及粒子平衡
–
成分
•
•
•
支持等离子体中含有多种粒子成分(NG,APLASM, BACKZ)
可支持的种类包括：H, D, T, 3He, 4He和Li。
在表单中可为各成分其设置初始浓度（相对比例，FRAC），在等离子体中的分布形式(NMODEL)：
–
–
–
–
中性粒子的模拟需要一个专门的模块――FRANTIC程序(NSOMOD=1)，相关的变量设置了边界上冷热粒子
的能量(E0IN)、再循环系数(RECYCB)等信息。
电子功率平衡
–
–
•
粒子约束时间是计算粒子平衡很重要的一个参量，将其值赋给变量TAUPH（粒子）和TAUPO（杂质）或
者提供UFILE。
中性粒子
•
•
支持一种固定的杂质成分(AIMP, XZIMP)，或者需要通过UFILE的方式提供多种杂质成分的信息
可在表单中输入固定的Zeff 数值(XZEFFI)，或者提供一维(NLZFIN)或二维(NLZFI2)的Zeff数据。
粒子平衡
•
–
(a) =1 所有种类粒子与主离子分布形状一致
(b) =2 所有种类粒子的径向速度与主离子一致
(c) =4 各种类粒子独立地求解连续性方程，其中粒子通量由扩散性与对流量组成
杂质
•
•
–
ASIPP
EAST
使用默认参数设置即可
ALPH0E：可控系数，调节由粒子径向运动产生的对流电子功率损失
离子功率平衡
–
–
–
–
将两个变量设为true：NLTI2和NLTIPRO。
若NLTI2TX=true，则说明用杂质离子温度代替主等离子体的离子温度进行计算。
ALPH0I：可控系数，调节由粒子径向运动产生的对流离子功率损失。
中子产额数据：将NLNTX设为true。这时程序将读入中子产额随时间变化的一维数据，并可将
其与计算得到的中子产额进行对比（包括热核中子、束中子等）。在有中性束注入的放电条件
下，这是一个调节中性束模拟参数校正结果的重要方法。
参数表单的内容
ASIPP
EAST
• 等离子体旋转
– 当NLVPHI=true时，程序将计算等离子体旋转方面的物理量
– 进行实验分析时要设置NVPHMOD=0，这时需要提供一维或二维的旋转数据
• ICRF模块(TORIC)
– 设置NLICRF=true打开模块开关， 建议选择NICRF=8使用完全功能的TORIC程序，并
可以设置NTORIC_PSERVE=1调用TORIC的并行版本
– 天线
• 表单模板中已经将适合EAST ICRF天线的模型设置好
• 天线个数(NICHA)，默认的一号天线是两电流带的，二号天线是四电流带的
• 可选择二号可调式天线使用的是对称波谱还是非对称波谱
– 每柄天线的频率(FRQICHA)和功率(PRFICHA)以及开关时间(TONICHA, TOFFICHA)
– 如果ICRF处于少子加热模式，还要对少数粒子的信息加以描述，包括
• 电荷数(XZMINI)
• 质量数(AMINI)
• 与电子密度的比例(FRMINI)
• 少子的粒子约束时间(TAUMIN)
• 如果有多个少子种类，还可以提供它们的相对比例(FRACMINI)。
– 设置少子要注意的一点是不能够与等离子体成分相冲突
– 调用的时间间隔(DTICRF)，径向和极向的格点数(NICHPSI, NICHCHI)，极向模数
(NMDTORIC)
参数表单的内容
ASIPP
EAST
• LHW模块(LSC)
– 设置NLLH=true打开模块开关
– 天线
• EAST上的2.45GHz和4.6GHz系统的天线结构已经固化到模块源文件中，在表单中并
不可见
• 可以通过变量NCUPLRLH选择所使用的天线，9 代表EAST 2.45GHz天线；10代表EAST
4.6GHz天线
• 天线模型(NCUPLRLH)与对应的频率(FGHZLH)；若使用两柄天线，则第一天线与第二
天线序号之间以逗号隔开，如NCUPLRLH=9, 10；对应的频率也应该是2.45GHz在前
，4.6GHz在后。
• 支持在一次模拟中同时使用多个天线（最多三个）；使用天线的个数(NANTLH)
– 读取外部提供的功率波形随时间演化数据(NLLHTFIX)
– 模块调用时间间隔(DTLH)
– 由于增加了对多天线的支持，LSC模块的变量中增加了一组多天线参数，
同时保留了原有支持单天线的参数。原则上这两组参数不应该同时处于
可用状态
• 单天线：功率(TOTPWRLH)，相位(PHASEDLH)，开关时间(TLHON/TLHOFF)
• 多天线：功率(POWRLHan)，相位(PHASLHAN)，开关时间(TONLHan/TOFFLHan)
参数表单的内容
•
ECRF模块(TORAY)
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–
–
–
–
–
–
•
ASIPP
EAST
用NLTORAY=true打开模块开关
目前EAST上正在安装的一个中平面发射器位置已经在模板中设置好
发射器个数(NANTECH)，目前是一个，但将来会进行升级
模块调用时间(DTTOR)
功率(POWECH)
注入角度：极向角度(THETECH)，环向角度(PHAIECH)
开关时间(TECHON/TECHOFF)
NBI模块(NUBEAM)
–
–
–
模块开关是NLBEAM，还可以用NBI_PSERVE=1开启并行模式
蒙特卡洛方法的模拟程序，用变量NPTCLS控制蒙特卡洛粒子数，这个数值推荐为使用的计算核数
×4000
EAST已经安装的第一条束线（两个离子源）和尚未安装的第二条束线工程参数均已经在表单中设置好
。需要注意的是实际的一条束线在模型中按照离子源被分为了两条束线
• 若束线与等离子体电流同向，则设置NLCO=true
• 束线功率(PINJA)和能量(EINJA)。注意这两个变量并非独立变化，是相互关联的。一个离子源1 MW的输
出功率对应的粒子能量是50keV；2 MW的输出功率对应的能量则是80keV。
• 束线开关时间(TBONA/TBOFFA)
• 束粒子的核电荷数(XZBEAMA)和质量数(ABEAMA)，若是氘束则设为(1, 2)
• 用几条束线(NBEAM)。一个缺点是不能直接选择用第几条束线，例如如果只用束线3和4，就需要将其编
号改为束线1和2，并将原束线1和2注释掉。
–
–
–
–
调用模块的时间间隔(DTBEAM)
读取外部提供的NBI波形数据文件(NLBDAT)
等离子体边界以外的中性粒子密度(DN0OUT)。对于NSTX的实验而言，DN0OUT的合理值范围是
[1×1010∼1×1013cm−3]
设置NLFI_MCRF=true使得ICRF波功率能够作用于蒙特卡洛快离子。TRANSP Help显示该选项尚未经过严
格测试和验证。暂不建议使用。
参数表单的内容
• 辐射功率
ASIPP
EAST
– 一般使用外部提供的总辐射功率数据(NPRAD=1)
– 作为补充，可以使用理论模型的计算值(NPRAD=2)
• 轫致辐射(NLRAD_BR)
• 杂质线辐射(NLRAD_LI)
• 回旋辐射(NLRAD_CY)
• 纵场波纹与鱼骨模
– 提供了简单的模型考虑这两个物理现象对快离子损失的影响
– 未尝试，待探索
• 虚拟诊断
– 可以直接得到与实验信号可比的物理量，而不需要经过额外的计算、转
换
– MSE: 用N MSESIM设置MSE探测器数量
– 干涉仪：用NLDA设置观察弦的道数
– 可见轫致辐射：用NVBA设置观察弦的道数
– 弯晶谱仪：用NXCA设置观察弦的道数
– 准直中子探测器：用NNTA设置观察弦的道数
– 当打开中性粒子通量模拟选项(NLEFLX=true)后，还可以选择电荷交换复合
谱：用NCXANG设置观察弦的道数
– 未尝试，待探索
提交任务
ASIPP
•
•
提交任务需要用到三个命令和一个脚本文件
首先进入以炮号名字的文件夹中，然后
–
TRDAT
•
•
–
–
这个命令的作用是检查参数表单格式的正确性、自洽性以及UFILE数据格式的正确性。
命令格式为$ trdat 12456A01，其中12456A01是runID
PRETR
•
•
•
•
•
生成提交任务需要的运行文件
检测在数据库中是否有重名的算例（即相同的runID）
若用户要删除各自的计算结果，可到‘$RESULTDIR’文件夹下进行操作
运行PRETR命令的格式为$ pretr 12345A01或$ pretr MPI 12345A01
PRETR命令会请求用户验证该runID的年份归属，以及额外的备注
TRSUB
•
•
•
•
一个简单的qsub脚本，一般放置于EAST文件夹中，与各炮号文件夹处于同一层
在这个脚本中可以设置要提交的队列名称，申请使用的核数m×n，其中m表示所用的节点数，n表示每个节点上
使用的核数
目前TRANSP程序支持1 ∼ 32个节点数，但对每节点核数的支持只有(1,2, 4, 8)
可以向SHENMA的两个计算队列batch和parallel提交任务
–
–
–
•
•
–
•
EAST
batch队列偏向于提交串行任务，共有10个节点，每个节点32核
parallel队列偏向于提交并行任务，共有61个节点，每个节点16核
如果算例中没有包含MPI模块，则只能够以串行方式提交任务到batch
提交命令$ ../trsub 12345A01。若是MPI任务，则会提示用户指定每个MPI模块使用的核数，此时应允许每个MPI模
块使用全部的核
batch和parallel队列的计算性能有差别
用qstat命令查看提交的任务
工作目录中以runID开始的文件均是计算过程需要的交互文件，当任务正常结束之后会自动清
理，只保留用户的UFILEs和参数表单在工作目录；若任务非正常结束，则不会清理工作目录
，需要用户手动处理
查看结果
ASIPP
EAST
• 正常运行结束的TRANSP任务将会保存在
$RESULTDIR/EAST.yy文件夹中，其中yy是代表年份的两
位数字
• TRANSP标准输出会产生的文件数大约十个左右，主要的
输出结果以netCDF格式保存在.CDF文件中
• 查看结果的主要途径是通过TRANSP自带的RPLOT和ELVIS
程序
• RPLOT是命令行的程序，使用RPLOT首先要在支持图形输
出的命令行窗口输入命令xtcw，启动XTC
• ELVIS程序是一个较新的（与RPLOT相比）的科学图形显
示程序。它基于Java编写，具有很好的平台无关性或称
为“便携性”，但暂时在SHENMA上不可用
• 还提供了小程序transp22Colm将由RPLOT保存的带格式
的数据转换为标准的两列ASCII数据
RPLOT
ASIPP
•
•
•
可先对XTC做设置
网页上TRANSP手册以及RPLOT手册中对具体的操作有详细说
明
RPLOT的选项1~17中比较常用到的有
–
–
–
–
–
•
•
2：显示一维函数与函数包，抽取保存ASCII数据到磁盘
3：显示二维函数，抽取保存ASCII数据到磁盘
6：显示二维函数包
16：创建保存新函数，但该新函数只对当前计算实例有效
17：在多个计算实例之间对比同一个函数值，可实现时间轴的平
移
RPLOT处理的核心内容是TRANSP输出的各种函数
网页上的TRANSP资源中提供了RPLOT中大部分函数与函数包
的名称（超过一千个）
EAST
ELVIS界面
ASIPP
EAST
运行TRANSP会出错吗？
ASIPP
EAST
• 当然会…
• 提交任务不成功
– 可以通过查询工作文件夹中的任务日志来判断
– 任务日志的文件名一般是q(runID) mxn.joblog
• 计算过程出错
– 查看生成计算过程的日志文件
– 其文件名一般是(runID)tr.log
• 还可以与其他用户交流讨论～
一个实例
PRL 98 (2007) 175002, S. Kaye
ASIPP
• 第一个在球马克上高功率H模约束规律
的实验报告，给出
– 全局能量约束时间随𝐵𝑇0.9 和𝐼𝑃0.4 变化的规律
– 局域的输运分析说明在𝐵𝑇 扫描中主要影响
电子热输运，而在𝐼𝑃 扫描中则是离子热输
运的变化起主导
– 电子热输运系数分布存在’pivoting’现象
• ‘pivoting’现象对于电流分布有着更本质
的依赖
PPCF 52 (2010) 015001, S. Ding
EAST
TRANSP有关的资料
ASIPP
• 在SHENMA主页上
– http://hpc.ipp.ac.cn/?page id=781
• 在SHENMA服务器上
– /projetc/transp/Document
• QQ群
– 群名称：TRANSP Group@ASIPP
– 群号：318783113
EAST
未来的计划
ASIPP
EAST
• 特指TRANSP@SHENMA
• 实现与EAST数据服务器之间的连接，能够
读取实验二级数据库的实验数据，将计算
结果保存在MDSplus树上
• 更好更实用的数据预处理脚本/程序
• 扩展TRANSP程序对每个节点所支持的核数
• 实现TRANSP任务统计/监测的功能
ASIPP
EAST
总结
ASIPP
EAST
• 输运分析是一项综合程度很高的工作
– 需要丰富的数据作为支持（特别是分布数据）
– 需要用综合实验分析程序进行自洽计算
– 或者对实验有很特殊的要求
• 在实验分析的过程中最重要的是实验数据
• 运行TRANSP本身不是物理，我们追寻的物
理规律隐藏在TRANSP为我们计算得到的那
一个个算例，那一组组数据背后
• TRANSP在EAST团队中的应用要靠大家积极
实践来实现
ASIPP
谢谢！
EAST